A5_47 - somim

MEMORIAS DEL XVIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM
19 al 21 DE SEPTIEMBRE, 2012 SALAMANCA, GUANAJUATO, MÉXICO
EFECTIVIDAD EXPERIMENTAL DE UN PHE EN UN TRANSFORMADOR
TÉRMICO
Ibarra J.1, Valdez C.V.1, Galindo Y. R.1, Velazquez L1, Romero R.J.2
1
Posgrado en Ingeniería y Ciencias Aplicadas – UAEM. Avenida Universidad 1001, Col. Chamilpa, C.P 62209,
Cuernavaca, Morelos, México.
2
Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias Aplicadas – UAEM, Avenida Universidad 1001, Col. Chamilpa, C.P
62209, Cuernavaca, Morelos, México.
[email protected] [email protected] [email protected] [email protected], [email protected]
Resumen
En el presente trabajo se muestra la
determinación experimental de la efectividad de
un intercambiador de calor de placas o PHE (por
las siglas en ingles de Plate Heat Exchanger)
usado como economizador en un transformador
térmico por de una etapa o SSHT (por las siglas
en ingles de Single Stage Heat Transformer) que
opera con la mezcla Agua/Carrol. El estudio se
realizó bajo condiciones de estado estable, para
un PHE de 7 placas corrugadas en flujo a
contracorriente. Para determinar la efectividad se
utilizaron 2 métodos: ε – NTU y balance de
energía. Los resultados muestran que la
efectividad de este intercambiador de calor es de
0.77 por el método ε – NTU y 0.75 por el
método de balance de energía, con un coeficiente
global de transferencia de calor de 0.65 kW m2
K-1.
Abstract
In this paper shows the experimental
effectiveness of a plate heat exchanger (PHE)
used as economizer in a single stage heat
transformer (SSHT) operating with the water /
Carrol mixture. The study was under steady state
conditions for a countercurrent flow PHE with 7
corrugated plates. The effectiveness was
determined by two the methods: ε - NTU and
energy balance. The results show that the
effectiveness of this heat exchanger by ε - NTU
method was 0.77 and 0.75 by the energy balance
method, the overall heat transfer coefficient was
0.65 kW m2 K-1 .
1.- Introducción
Transformador térmico.- Un transformador
térmico es un dispositivo que extrae calor de una
fuente térmica a una temperatura determinada y,
mediante un ciclo termodinámico, lo revaloriza a
una temperatura mayor para ser aprovechado en
procesos con requerimientos energéticos más
altos que los que podrían ser suministrados por la
fuente térmica. Existen distintos tipos de
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transformadores térmicos: de una etapa, de doble
etapa y de doble absorción.
Transformador térmico de una etapa.- Un
transformador térmico de una etapa o SSHT (Por
sus siglas en ingles de Single Stage Heat
Transformer) consta de 5 componentes
principales: Un evaporador, un condensador, un
generador, un absorbedor y un economizador
como se muestra en la Figura 1. Este dispositivo
utiliza una mezcla de fluido de trabajo –
absorbente para realizar la revalorización de la
energía que se suministra en el evaporador y en
el generador. La mezcla diluida en absorbente, se
conduce del absorbedor hacia el generador donde
el fluido de trabajo se vaporiza parcialmente
utilizando una cantidad de calor QGe. El fluido de
trabajo evaporado es enviado al condensador
donde cambia de fase al rechazar una cantidad de
calor QCo. El condensado obtenido se bombea al
evaporador donde se sufre un cambio de fase a
una presión mayor que la presión en el generador
utilizando una cantidad de calor QEv ; por último,
el vapor proveniente del evaporador se pone en
contacto con la solución concentrada en el
absorbedor bombeada desde el generador donde
se produce una reacción exotérmica y cede una
cantidad de calor QAb para iniciar el ciclo
nuevamente [1].
Para un SSHT el COP por las siglas en ingles
Coefficient of performance) se define como la
relación de calor útil a la mayor temperatura
(QAb) con respecto a la cantidad de calor
suministrada (QEv + QGe).
Transformador térmico de doble etapa.- Un
transformador térmico de doble etapa o DSHT
(Por sus siglas en ingles de Double Stage Heat
Transformer) es un acoplamiento de dos SSHT,
como lo muestra la figura 2. La cantidad de calor
cedida por el absorbedor de la primera etapa QAb1
alimenta al evaporador de la segunda etapa, por
lo que el fluido de trabajo es evaporado a una
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temperatura y presión mayor que en el
evaporador de la primera etapa, esto permite que
la cantidad de calor cedida por el absorbedor de
la segunda etapa QAb2 tenga una temperatura
mayor que en el absorbedor de la primera etapa
[2].
cambio de fase a una presión mayor que la
presión en el generador utilizando una cantidad
de calor QEv. La segunda corriente de fluido de
trabajo
condensado
es
bombeada
al
absorbedor/evaporador para vaporizarse a una
temperatura y presión mayor utilizando una
cantidad de calor QAE. Por último, el vapor
proveniente del absorbedor/evaporador se pone
en contacto con la solución concentrada en el
absorbedor bombeada desde el generador donde
se produce una reacción exotérmica y cede una
cantidad de calor QAb para iniciar el ciclo
nuevamente [2].
Figura 1.- Diagrama esquemático de un SSHT.
El coeficiente de operación de un DSHT se
define como la relación de cantidad de calor útil
cedido por el absorbedor 2 QAbs2 con respecto al
calor alimentado al evaporador y generador de la
primera etapa y al generador de la segunda etapa
(QGen1 + QEvap1 + QGen2).
Figura 2.- Diagrama esquemático de un DSHT.
Transformador térmico de doble absorción.Un transformador térmico de doble absorción o
DAHT (por sus siglas en ingles de Double
Absorption Heat Transformer) tiene 6
componentes principales: Un generador, un
condensador, un evaporador, un absorbedor, un
absorbedor/evaporador y un economizador como
lo muestra la figura 3. Una cantidad de calor QGe
es suministrada al generador para vaporizar parte
del fluido de trabajo. El fluido de trabajo
evaporado es enviado al condensador donde
cambia de fase al ceder al ambiente una cantidad
de calor QCo. El fluido de trabajo condensado es
dividido en dos corrientes. Una de ellas es
bombeada al evaporador donde se sufre un
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Figura 3.- Diagrama esquemático de un DAHT.
El economizador tiene como función precalentar
la corriente de solución concentrada proveniente
del generador utilizando el calor sensible de la
corriente de solución diluida que abandona el
absorbedor y permitir un incremento del COP
[3]. Se han realizado varios estudios
experimentales
del
funcionamiento
del
economizador en sistemas de refrigeración para
transferir calor desde el aire en un lado del
evaporador al aire en el otro lado. La instalación
del economizador resulta en el aumento del COP
y SMER (Por las siglas en ingles Specific
Moisture Extraction Rate) para estos sistemas,
alrededor del 3% y 4% respectivamente. Una
mejora significativa del sistema es posible si se
empleara un área superficial mayor del
economizador, esto es notable ya que el
economizador, es un mecanismo pasivo que
beneficia al desarrollo del sistema sin requerir de
energía eléctrica [4].
En los estudios experimentales reportados sobre
transformadores térmicos el economizador tiene
diferentes diseños: de tubos concéntricos [5,6],
de doble tubo helicoidal [7] y de placas [8]. Estos
últimos presentan ventajas con respecto a los
demás debido a su mayor área de transferencia
de calor, fácil mantenimiento y fácil montaje.
Pero son no son adecuados para altas presiones y
caudales másicos elevados, debido a que las
placas pueden sufrir deformaciones, pero ya que
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un transformador térmico opera a presiones por
debajo de la atmosférica, los hace idóneos para
esta tarea.
Mezclas de trabajo para transformadores
térmicos.- Hasta el momento, la mezcla agua –
bromuro de litio es la única que se usa
comercialmente en los transformadores térmicos
por absorción [9]. Sin embargo la mayor
desventaja de esta mezcla es la cristalización de
la solución salina que ocurre en concentraciones
cercanas al 70% en peso. La mezcla agua –
Carrol fue desarrollada por Carrier Corporation
[10], se trata de una mezcla de agua – bromuro
de litio a la que se le adiciona etilen glicol
[(CH2OH)2] en una relación de 1:4.5 en peso.
Esta
mezcla
posee
características
termodinámicas similares a la de agua – bromuro
de litio pero con una solubilidad de hasta el 80%
en peso, lo que hace posibles temperaturas de
operación más elevadas [2].
2.- Metodología
Características del PHE. El PHE utilizado
como economizador fue fabricado por la marca
SONDEX Inc. La Tabla 1 muestra sus
características.
Tabla 1.- Características del PHE utilizado como
economizador
Número de placas
7
Número de serie
Número de modelo
Temperatura de diseño
Presión de diseño
Año de construcción
6024
S4 - IG 7
284 °F
Figura 4.- Inclinación del ángulo Chevron, altura y longitud
de la placa.
Los datos de temperaturas, concentraciones y
flujos másicos fueron tomados en estado estable,
definiendo éste como el periodo de tiempo de al
menos 20 minutos donde las variaciones en las
temperaturas no son mayores al 2% de la
temperatura promedio [11]. La Figura 5 muestra
los registros de temperatura de las corrientes de
entrada y salida del economizador en la prueba
realizada el 14 de noviembre de 2011, en este
experimento se puede apreciar estado estable por
un periodo de 20 minutos, desde el minuto 150
hasta el 170. La Tabla 2 muestra las propiedades
termodinámicas de las corrientes de entrada y
salida del economizador en estado estable.
Tabla 2.- Propiedades termodinámicas de las
corrientes del economizador en estado estable
ṁ
(kg/s)
Caliente
Tin
(°C)
92.9
Tout
(°C)
86.3
X
(% w/w)
68.3
2.44E-02
Fría
88.9
86.0
69.7
2.39E-02
Corriente
100 PSI
2004
Las placas utilizadas en el PHE son de
acero inoxidable 316 corrugadas de ángulo
Chevron, con un grosor promedio de canal (b) de
2 mm, con un diámetro equivalente (de) de 4 mm
y un espesor de la placa de 0.5 mm (ep). La
Figura 4 muestra la inclinación del ángulo
Chevron (β), la altura (w) y la longitud de la
placa (Lp).
Operación del SSHT. Para la operación del
SSHT se utilizó la mezcla Agua/Carrol, las
fuentes de calor del generador y del evaporador
se simularon en laboratorio con resistencias
eléctricas y fueron controladas de forma
independiente.
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Figura 5.- Registros de temperatura del economizador de la
prueba realizada el 13 de octubre de 2011.
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3.- Transferencia de calor
Los datos considerados para el análisis se
utilizaron para predecir el coeficiente de
transferencia de calor por convección de la
mezcla Carrol – Agua y el coeficiente global de
transferencia de calor (U). Las siguientes
suposiciones fueron consideradas para obtener
estos coeficientes:
a) El PHE opera en estado estable
b) No existen pérdidas de calor al
ambiente
c) No hay intercambio de calor en el
sentido del flujo
d) Distribución
uniforme
de
la
temperatura y el flujo másico en los
canales
e) No existe cambio de fase ni de
concentración en las corrientes
f) El coeficiente global de transferencia
de calor (U) es constante a lo largo del
PHE
El coeficiente de transferencia de calor por
convección para la solución de trabajo se calcula
con la siguiente ecuación [12]:
Los valores de la capacidad calorífica,
conductividad térmica y viscosidad de las
corrientes fría y caliente se calcularon a
temperatura promedio a partir de las
correlaciones reportadas para la mezcla Carrol –
Agua [10].
El coeficiente global de transferencia de calor
(U) se definió como:
(5)
Donde:
hh Coeficiente de transferencia de calor por
convección de la corriente caliente, Wm-2°C-1
ep Espesor de la placa, m
kp Conductividad térmica de la placa,Wm-1°C-1
hc Coeficiente de transferencia de calor por
convección de la corriente fría, Wm-2°C-1
El valor de la conductividad de la placa de acero
inoxidable 316 se consideró constante con un
valor de 17 W/m°C [13].
Método ε – NTU
El número de unidades de transferencia de calor
(NTU) se define como:
(1)
Donde las expresiones para el Flujo másico por
los canales (Gc), los números de Reynolds (Re) y
Prandtl (Pr) son:
(2)
(6)
Donde U es el coeficiente global de transferencia
de calor en kW/m2 K, A es el area de
transferencia de calor en m2 y Cmin es el menor
de los valores entre Cc y Ch los que se definen
como:
(3)
(7)
(8)
(4)
Donde:
ṁ Flujo másico, kg s-1
N Número de canales
b Grosor medio del canal, m
w Ancho efectivo de la placa para intercambio
de calor, m.
de Diámetro equivalente, m
μ Viscosidad del fluido, Pa s
Cp Capacidad calorífica, kJ kg-1K-1
kliq Conductividad térmica de la mezcla
agua/Carrol, W m-1°C-1
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Donde:
Cpc Capacidad calorífica de la corriente fría
en kJ kg-1K-1
Cph Capacidad calorífica de la corriente caliente
en kJ kg-1K-1
ṁc Flujo másico de la corriente fría, kg s-1
ṁh Flujo másico de la corriente caliente, kg s-1
La relación de la velocidad de flujo de la
capacidad calorífica entre las corrientes fría y
caliente se define como:
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(9)
La efectividad de intercambio de calor ε¸ en
ocasiones se conoce como eficiencia térmica,
está definida de la siguiente manera:
influencia del economizador con respecto al
COP de la máquina térmica. Se proponen 3
escenarios: Sin economizador, con economizador
con efectividad de 0.77 y con economizador con
efectividad de 0.75.
Donde Q es el calor actual transferido y QMax es
el máximo calor transferido posible
Las simulaciones se realizaron para las
condiciones experimentales de la prueba del 14
de noviembre de 2011 para un SSHT operando en
estado estable con las siguientes temperaturas:
Tge = 85.8°C, Tco = 23.4°C, Tev = 84.1°C y Tab =
101 – 165 °C.
Para un PHE en flujo a contra corriente se la
efectividad ε define como:
La figura 6 muestra los resultados de las
simulaciones para los escenarios propuestos.
(10)
(11)
Método de balance de energía
Otros autores proponen un balance de energía a
partir de las entalpias de las corrientes de entrada
y salida para determinar la efectividad del
economizador en un SSHT [2]. Siguiendo la
numeración establecida en la Figura 1, la
ecuación 8 puede definirse como:
(12)
Donde H5,10 es la máxima entalpia posible, a
temperatura de la corriente 5 y a la concentración
de la corriente 10.
4.- Resultados
La Tabla 3 muestran los resultados obtenidos del
análisis de los datos experimentales del PHE
estudiado.
Tabla 3.- Resultados obtenidos del análisis del
PHE.
hc
kW m-2K-1
1.28
hh
kW m-2K-1
1.36
U
kW m-2K-1
0.65
ε
-0.77
εec
-0.75
Los valores obtenidos para los coeficientes
individuales de transferencia de calor por
convección y el coeficiente global de
transferencia de calor, son del mismo orden de
magnitud que los reportados por otros autores
[11,14] para condiciones similares.
Se realizaron simulaciones con el software
Agilent HP Vee Pro 7.5 para observar la
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Figura 6.- Influencia de la efectividad del economizador para
un SSHT para las condiciones de la prueba del 14 de
noviembre de 2011.
Debido a que la temperatura del generador (T Ge)
se mantiene constante y únicamente la
temperatura del absorbedor (TAb) es la que varía,
es posible notar que a temperaturas de 100 a
110°C usar o no un intercambiador de calor no
afecta significativamente el COP del SSHT, pero
a medida que la temperatura del absorbedor
aumenta, las propiedades termodinámicas
implicadas en los fenómenos de transferencia de
calor se ven afectadas por la recuperación de
calor sensible que hace el economizador y es
notoria un aumento sustancial en el COP del
SSHT permitiendo además obtener temperaturas
en el absorbedor mas altas que sin economizador.
Una manera de aumentar la efectividad del PHE
utilizado como economizador, es cambiar el
material de las que están hechas las placas por
cobre por ejemplo, ya que tiene una
conductividad térmica más elevada que el acero
inoxidable 316 L, sin embargo, el cobre es
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susceptible al ataque corrosivo de las mezclas de
trabajo que contienen bromuro de litio [15].
5.- Conclusiones
En este trabajo se mostró la metodología para el
cálculo de la efectividad (ε) de un
intercambiador de calor de placas (PHE)
utilizado
como
economizador
en
un
transformador térmico de una etapa (SSHT).
Las características del PHE y las condiciones
para su evaluación permiten realizar el cálculo de
ε a partir del método ε - NTU y el método
propuesto por balance de energía (εec). Se
utilizaron las propiedades reportadas de la
mezcla Agua / Carrol para determinar los valores
de los coeficientes individuales de transferencia
de calor por convección y del coeficiente global
de transferencia de calor. El valor calculado para
la efectividad del PHE en las condiciones
experimentales fue de ε = 0.77 y εec = 0.75. Esta
diferencia en la determinación experimental de
efectividad del PHE se debe a las temperaturas
que se utilizan en cada método. Las propiedades
termodinámicas de las corrientes fría y caliente
utilizadas en el método ε – NTU son calculadas a
temperatura promedio, mientras que por el
método de balance de energía, las entalpias de
las corrientes fría y caliente se calculan a las
temperaturas de entrada y salida.
Los resultados de las simulaciones realizadas con
las condiciones obtenidas experimentalmente de
la prueba del 14 de noviembre de 2011 se aprecia
que para el rango de temperatura de 100 a 110°C
el COP no se presenta un aumento significativo
si se usa o no un economizador, pero a medida
que la temperatura del absorbedor aumenta y por
lo tanto, la recuperación de calor sensible por
parte del economizador, el COP se incrementa
permitiendo alcanzar temperaturas más altas en
el absorbedor y haciendo posible una
revalorización óptima de la energía suministrada
al SSHT.
Agradecimientos
Al proyecto 167434 de Ciencia Básica del
CONACyT: Análisis de recuperación de energía
de desecho y desarrollo sustentable.
Referencias
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